В прошлой своей статье «Реактивная мощность на ощупь, простым языком, без графиков» я постарался объяснить, что такое реактивная мощность электрического тока, но, видимо, всё-таки это получилось у меня недостаточно понятно. В этой новой статье я постарался объяснить всё так просто, насколько это вообще возможно :-)
Синусоидальность переменного напряжения
Важный аспект — напряжение у нас в сети не постоянное, как в батарейке или аккумуляторе автомобиля, а переменное. То есть, его значение в фазном проводе (относительно нулевого провода) изменяется 50 раз в секунду (50 герц) от +325 до −325 и обратно. Но изменяется оно не резко, а плавно. Физика процесса такова, что за 1/50 долю секунды оно от нуля начинает плавно возрастать, достигает +325 вольт, после чего начинает плавно снижаться, пересекает ноль, и плавно достигает −325 вольт, после чего снова начинает возрастать до нуля. Если представить это изменение графически, то получится плавная извилистая линия — синусоида.
Поскольку напряжение ±325 вольт достигается только в пиках, а в остальное время оно ниже, то нечестно будет говорить, что напряжение в сети 325 вольт. Оно ведь не всегда такое, а только в кратковременных пиках. Поэтому, если эту волну полупериода растянуть вширь до прямоугольного состояния, её верх просядет чуть ниже, сделается ровным и горизонтальным. При этом проседание верха произойдёт по т.н. среднеквадратичному закону (325 / √2 ≈ 230), и он как раз окажется на уровне привычных нам 230 вольт.
Другими словами, если бы напряжение изменялось бы не постепенно по синусоиде, а резко, ступенчато, то вершины ступенек были бы как раз на высоте 230 вольт. А так эти ступеньки в связи с техническими особенностями генерации плавно сузились к макушке, и потому, естественно, вытянулись до 325 вольт. Напряжение 230 вольт называется действующим, а 325 вольт — амплитудным.
Итак, мы поняли, что напряжение в сети постоянно изменяется по синусоиде от плюса к минусу и обратно. Но напряжение — это ещё не ток. Например, в розетке, в которую ничего не включено, напряжение есть, а тока нет. Напряжение — это всего лишь потенциал, который может быть реализован в виде тока, но только после подключения в розетку сопротивления, а может и не быть реализован, если ничего к розетке не подключить. То есть, напряжение — это как напор воды в закрытом кране. Напор есть, а вода не течёт. Чтобы вода потекла — открываем кран.
Синусоидальность тока
Если к розетке подключить сопротивление (например, лампочку или нагревательный прибор), то цепь замкнётся, и по ней потечёт ток. Мы понимаем, что чем выше будет напряжение (напор воды), тем выше будет и ток (согласно закону Ома, I = U / R). А поскольку напряжение изменяется по синусоиде, то и ток будет изменяться тоже по синусоиде, синхронно с напряжением.
Поскольку напряжение переменное, то и ток будет переменным. Сначала он течёт в одну сторону, а когда напряжение меняет свой знак, ток течёт в другую сторону. То есть, в проводах ток постоянно дёргается в разные стороны. Впрочем, это уже детали. Нам достаточно понять, что синусоида изменения величины напряжения совершенно естественным образом синхронна по времени синусоиде изменения величины тока:
Активная мощность
Когда синусоиды напряжения и тока совпадают, то вся электрическая мощность, передаваемая напряжением и током является полезной, активной. Мощность электрического тока будет равна напряжению, умноженному на ток.
Когда синусоиды напряжения и тока не совпадают?
Индуктивное сопротивление
Если мы включим в цепь вместо лампочки или обогревателя любое индуктивное сопротивление, например, электромагнит, то увидим странную картину. Ток волшебным образом начинает отставать от напряжения! Почему такое происходит?
Электромагнит — это электрическая катушка — сердечник с намотанным на него проводом. Мы где-то когда-то давно слышали, что при протекании тока через катушку вокруг неё образуется магнитное поле. Но физика этого процесса довольно примечательна.
Сначала, когда напряжение возрастает от нуля до +325 вольт, в катушке возникает ток, порождающий электромагнитное поле, которое, в свою очередь, порождает ток, обратный идущему из сети. Катушка сопротивляется проходящему по ней току (точнее, его изменению). Это можно сравнить с инерцией. Чем быстрее мы хотим изменить скорость стального ядра, тем сильнее ядро сопротивляется этому, причём как на разгоне, так и на торможении. Итак, напряжение растёт, а рост тока начинает отставать.
Когда напряжение замирает в верхней точке +325 вольт, катушка перестаёт сопротивляться (встречный ток в ней возникает только в момент изменения проходящего по ней тока, и чем резче меняется этот ток, тем выше значение встречного тока, а если изменений нет и ток постоянен — встречный ток не возникает). Итак, напряжение в пике, и ток начинает идти свободно, возрастая до своего пика.
Когда напряжение пошло вниз, ток начинает снижаться. Но мы помним, что у катушки есть инерция! Запасённая в магнитном поле энергия начинает порождать попутный ток, который начинает помогать сетевому току. Теперь катушка сопротивляется снижению тока. В результате, напряжение падает, а ток ещё держится. Падение тока начинает отставать.
То есть, катушка при возрастании напряжения сопротивляется росту тока, а при падении напряжения пытается удержать падение тока, отдавая его в цепь. В результате синусоида тока начинает отставать от синусоиды напряжения, например, на четверть периода:
При таком раскладе получается следующее. Пятьдесят раз в секунду какая-то часть мощности забирается катушкой из сети, накапливается в её магнитном поле, а затем просто сбрасывается обратно в сеть. При этом ток по цепи проходит, но безвозвратно в другие виды энергии почти не преобразуется. Фактически, ток без толку греет провода.
Емкостное сопротивление
Помимо отставания тока от напряжения существует также цепи и с опережением тока от напряжения. Для этого вместо электромагнита включаем конденсатор (конденсатор — это емкостное сопротивление). При возрастании напряжения он нуля пустой конденсатор начинает заряжаться с максимальным током, хотя напряжение ещё не достигло максимума.
По мере заряда ток снижается, и во время максимума напряжения ток уже равен нулю.
Затем напряжение начинает падать, и конденсатор под действием всё увеличивающейся разности потенциалов между своим зарядом и напряжением сети начинает разряжаться, порождая всё возрастающий ток, который не прекращается с падением напряжения до нуля, поскольку тут же начинается его заряд обратной полярностью, когда напряжение становится отрицательным. В результате синусоида тока начинает опережать синусоиду напряжения.
То есть, конденсатор при возрастании напряжения сначала вызывает сильный ток, который падает до нуля при максимуме напряжения, а при последующем падении напряжения начинает вызывать сначала небольшой ток, а потом всё сильнее и сильнее, который достигает максимума при отсутствии напряжения сети. В результате синусоида тока начинает опережать синусоиду напряжения, например, на четверть периода:
При таком раскладе получается следующее. Пятьдесят раз в секунду мощность забирается конденсатором из сети, а затем просто сбрасывается обратно в сеть. То есть, как и в случае катушки электромагнита, ток по цепи проходит, но в другие виды энергии почти не преобразуется. Фактически, ток точно так же без толку греет провода.
Реактивная мощность
Вот этот самый индуктивный или емкостной ток и является реактивным, а мощность, которую он формирует, которая шляется туда-сюда, называют реактивной мощностью. Сопротивления току, которыми являются катушка или конденсатор, называют реактивными сопротивлениями.
Если в составе мощности есть реактивная составляющая (имеется сдвиг синусоид тока и напряжения), то активная мощность равна напряжению, умноженному на ток и умноженному на cos φ, где φ — это угол сдвига синусоид тока и напряжения на круговой диаграмме.
Надеюсь, теперь то уж наверняка стало всё понятно! :-)
Ставьте лайки, если статья понравилось. Пишите комментарии.
Делитесь также этой статьёй в социальных сетях (соответствующие кнопочки рядом со статьёй в наличии) и, конечно, подписывайтесь на мой канал! Жду ваших отзывов! Удачи!